基于碳納米管-鉑納米顆粒的H2O2電化學傳感器的制備

段鴻梁 袁 旺 李云龍 徐鶴丹 彭雪俐 廖曉玲 張園園

(重慶科技學院 冶金與材料工程學院, 重慶 401331)

0 前 言

骨關節炎是以關節軟骨破裂、滑膜炎癥、骨贅形成和軟骨血管化為主要特征的退行性風濕性疾病，目前仍缺乏有效的預防和治療措施[1]。近年來，越來越多的研究表明，活性氧(ROS)在骨關節炎的發病機制中起著至關重要的作用[2]。ROS參與了能量代謝和對脅迫、增殖信號的響應等過程，通過氧化還原反應的信號，可以增加細胞增殖和惡性的轉化。H2O2是超氧化物歧化酶催化超氧根(O2-)反應的產物之一，是機體內ROS自由基中最穩定的一種。H2O2含有較強的衰老誘導性物質，具有生物活性，可以通過細胞膜的水通道擴散到細胞外。通過檢測H2O2的含量，可以了解細胞內ROS的整體水平。

目前，常用的H2O2檢測方法包括比色法、熒光法、化學發光法、電子自旋共振法和電化學法等[3]。其中，電化學法具有高靈敏度、高選擇性、高準確性、快速響應和易于小型化等優點，在細胞水平分析和藥物篩選中得到了越來越多的關注，是目前最常用的H2O2檢測方法。

1 電化學H2O2傳感器

電化學法檢測H2O2的實質是氧的催化還原過程，反應過程如式(1)所示[4-6]：

(1)

由式(1)可知，H2O2傳感器的電極材料催化活性越高，電催化反應過程中電子傳輸速率越快，中間產物(·OHad)含量越少。

電極修飾材料分為有酶型和無酶型[7]。目前，H2O2無酶生物傳感器的催化劑已被各種不同形態或組分的仿生酶替代。貴金屬及其合金(包括鉑、鉛、金、鈀和銠等)的電催化活性較好，但成本高、合成條件苛刻。金屬氧化物的催化劑(Co3O4、MnO2、TiO2等)也可用于檢測H2O2[8]。Hao等人將MnO2用于H2O2的快速檢測，具有寬線性范圍、低檢測限等優點，可重復對人血清樣品中的葡萄糖含量進行準確檢測[9]。

金屬氧化物修飾的電極依賴于工作電極較高的氧化電位，這極大地限制了其應用[10-11]。納米金屬和金屬氧化物催化劑常遭受附聚和表面狀態的損害，使其催化活性、耐久性和靈敏度降低。

針對目前存在的問題，本次研究采用載體材料合成復合納米結構催化劑。單壁碳納米管(CNTs)形狀柔韌，多孔呈3D網絡結構，具有導電性好、比表面積高和電荷遷移率高等優點。鉑納米顆粒(Pt NPs)具有與過氧化物酶類似的內在過氧化物酶活性，相互連接的三維網絡提高了Pt NPs的負載能力和催化劑的耐久性，增加了H2O2還原的活性位點[12-14]。本次研究選擇CNTs支撐Pt NPs制備H2O2電化學傳感器，探究其對H2O2檢測靈敏度、檢測限、檢測范圍等性能的影響。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗儀器與試劑

實驗儀器：電化學工作站(CHI660E)，玻碳電極(CHI111 Ag/AgCl)，鉑絲電極(CHI115)，屏蔽箱(CHI200B),離心機(TG16-WS)，精密電子天平(BSA124S)，真空干燥箱(DZF-6020)，場發射掃描電鏡(JSM-780OF)，超聲波清洗機(G-1005)，電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9036A)等。

實驗試劑：H2SO4，鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])，KCl，Al2O3，檸檬酸鈉(C6H5Na3O7)，NaOH，殼聚糖，氯鉑酸(K2PtCl6·6H2O)，CNTs，磷酸二鈉氫(Na2HPO4·2H2O)，磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)，C2H6O2，C2H6O，谷胱甘肽(C10H17N3O6S)，半胱氨酸(C3H7NO2S)，鹽酸多巴胺(C6H11NO2·HCl)，抗壞血酸(C6H8O8)，果糖(C6H12O6)，尿酸(C5H4N4O3)。實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm)。

2.2 實驗方法

2.2.1 Pt-CNTs修飾電極的制備

取適量檸檬酸鈉溶于2 mL的乙二醇(EG)中，再加入7.94 mg的CNTs，超聲處理后，得到CNTs分散液。向分散液中加入0.5 mL濃度為0.019 4 mol/L的氯鉑酸/EG溶液，對其進行超聲處理，使鉑的前驅體均勻分散在溶液中。用質量分數為5% 的KOH/EG對溶液的pH進行調節，使溶液pH>10。將制備好的溶液置于溫度為100 ℃的水浴中反應3 h后，洗滌過濾至溶液中檢測不到Cl-。將得到的濾餅置于烘箱中烘干(溫度為70 ℃)，得到單壁碳納米管/鉑納米顆粒(Pt-CNTs)復合材料。使用時，取質量濃度為2 mg/mL的Pt-CNTs二次水分散液與質量分數為1%的殼聚糖溶液以體積1 ∶1超聲混合，后續無特殊說明Pt-CNTs均為殼聚糖與Pt-CNTs的混合物。

分別用直徑為0.30、0.05 μm的Al2O3粉對玻碳電極(GCE)進行打磨，直到其表面呈現鏡面光滑。將打磨后的GCE放入C2H6O和去離子水混合液中，超聲處理30 s，得到鏡面狀表面并依次干燥。將處理好的電極置于在K3[Fe(CN)6]溶液中，采用循環伏安法對其進行電化學表征，設置電位范圍為 -0.20～0.60 V，以測試電極性能。當得到典型的循環伏安曲線時，說明電極反應具有可逆性；否則，需要對GCE進行再次打磨，直到符合要求。

將符合要求的GCE用超純水清洗5 min，N2氣流將其吹干后，立即將一定體積的Pt-CNTs滴加到GCE表面；自然風干后即可得到修飾電極(Pt-CNTs/GCE)。實驗中，對照組為按照相同實驗步驟得到的CNTs/GCE。使用前，需要再用蒸餾水對修飾電極進行浸潤、干燥2次，以去除其表面沒有固定的納米材料。

2.2.2 修飾電極的形貌表征

通過場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對電極材料的形貌進行表征，并放大至1 000、3 000倍拍照，通過能譜分析儀(EDS)對修飾電極進行元素表征。

2.2.3 Pt-CNTs/GCE的優化實驗

調節PBS緩沖液的pH值，測定Pt-CNTs/GCE對H2O2循環伏安的電流響應，考察pH值對傳感器響應電流的影響。

將不同體積的Pt-CNTs滴加到GCE表面，設置修飾體積分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 μL，以確定Pt-CNTs的最佳修飾體積。在此基礎上，對Pt NPs的負載量進行優化，以確定最佳的制備條件。

2.2.4 Pt-CNTs/GCE對H2O2的電催化還原作用

連接電化學工作站，觀察Pt-CNTs/GCE加入H2O2前后的循環伏安(CV)行為，采用CV法研究CNTs-Pt/GCE對H2O2的電催化行為。H2O2的濃度依次為0、0.3、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、6.0 mmol/L，掃描速度為100 mV/s。

2.2.5 Pt-CNTs/GCE對H2O2的檢測實驗

取一定體積PBS緩沖溶液于燒杯中，通N215 min后設置電位。用時間-電流法測量Pt-CNTs/GCE對H2O2穩態電流的響應。待基線電流平穩后，每50 s逐次加入不同摩爾濃度的H2O2，設置其濃度分別為0.02、0.05、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00 mmol/L，記錄響應電流值。按同樣的步驟對CNTs/GCE進行操作，比較其響應靈敏度。

2.2.6 Pt-CNTs/GCE抗干擾實驗

在炎癥環境下，可能存在對電極產生影響的物質，本階段實驗設置H2O2濃度為0.01 mmol/L，干擾物尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)、谷胱甘肽(GSH)、葡萄糖(Glu)濃度均為0.05 mmol/L。

3 實驗結果討論

3.1 修飾電極的形貌表征

通過SEM對修飾電極的形貌和元素進行分析，圖1為修飾電極的SEM圖。CNTs/GCE的形態結構是相互連接的3D多孔骨架。與CNTs/GCE相比，Pt-CNTs/GCE表面散落有明亮的顆粒物，這可能是Pt NPs黏附在CNTs的骨架上而產生。進一步對CNTs/GCE和Pt-CNTs/GCE進行EDS表征，實驗結果如圖2所示。CNTs/GCE的主要成分為碳元素，Pt-CNTs/GCE不僅有碳元素還有鉑元素。

圖1 修飾電極的SEM圖

圖2 修飾電極的EDS圖

3.2 Pt-CNTs-GCE制備條件的優化

3.2.1 溶劑與修飾體積

當以殼聚糖溶液為溶劑的Pt-CNTs修飾GCE后，電流明顯增大。當Pt-CNTs修飾體積為2.5 μL時，電流達到最大，電位差約為127 mV。為了探究殼聚糖對Pt-CNTs修飾電極性能的影響，將Pt-CNTs超聲分散在二次水中，以二次水為溶劑時的實驗結果與殼聚糖一致(見圖3)。當Pt-CNTs修飾體積為2.5 μL時，電流最大。這是因為Pt-CNTs的修飾體積過多或過少都不利于電子的傳遞。當Pt-CNTs的修飾體積為2.5 μL時，電極性能最佳。

圖3 修飾體積與溶劑對電流的影響

溶劑不同時，Pt-CNTs在鐵氰化鉀溶液中的響應如圖4所示。當Pt-CNTs以二次水為溶劑修飾電極時，產生電流響應較小，這主要是由于材料在電極表面附著不穩定，易發生脫落。因此，實驗中以殼聚糖為溶劑，Pt-CNTs的修飾體積為2.5 μL。

圖4 電極在鐵氰化鉀溶液中的響應

3.2.2 Pt NPs負載量

當Pt NPs與氯鉑酸溶液進行水浴加熱反應時，可以通過改變氯鉑酸濃度的方法來控制Pt NPs的修飾量。Pt NPs的負載量對H2O2電流的影響如圖5所示。當Pt NPs的負載量達到20%時，Pt-CNTs/GCE對H2O2的電催化活性最高。綜合考慮，當Pt-CNTs 修飾體積為2.5 μL、Pt NPs負載量為20%時，對電極的修飾效果最好。

圖5 Pt-CNT負載量對H2O2電流的影響

3.2.3 PBS緩沖液pH值

在相同條件下，調節PBS緩沖液的pH值，對比H2O2在不同pH條件下的電流響應。不同pH條件對H2O2電流的影響如圖6所示，其中當pH=6.0時，電流響應最大。

圖6 在不同pH值條件對H2O2電流的影響

3.3 Pt-CNTs/GCE對H2O2的電催化還原作用

根據優化的實驗條件，連接電化學工作站，在除氧的PBS緩沖液中加入不同濃度的H2O2，H2O2濃度對Pt-CNTs/GCE CV曲線的影響如圖7所示。在0.1 V附近的還原峰電流有了明顯提高，這說明H2O2能夠被Pt-CNTs/GCE催化還原?；诖?，確定后續實驗的工作電壓為0.1 V。

圖7 H2O2濃度對Pt-CNTs/GCE CV曲線的影響

3.4 Pt-CNTs/GCE對H2O2的檢測

當不同濃度的H2O2加入PBS緩沖液時，傳感器的響應時間約為2～3 s，這表明電極和H2O2之間的電子轉移十分迅速。隨著H2O2濃度的增加，電流臺階不斷增強(見圖8)。這是由于Pt-CNTs獨特的三維納米結構、高比表面積以及兩者結合所帶來的協同效應，促進了H2O2在電極表面的電子傳遞速率，增強了Pt NPs顆粒對H2O2的電催化效果。由圖8可知，當H2O2濃度為0.1～1.0 mmol/L時，H2O2濃度與響應電流呈現出良好的線性關系。

圖8 Pt-CNTs/GCE對H2O2的檢測

3.5 Pt-CNTs/GCE抗干擾性

在實驗中，需要測定炎癥環境下可能存在的其它物質對所制備電極的影響。研究發現Pt-CNTs/GCE對H2O2表現出明顯的電流響應，而其他干擾物對 Pt-CNTs/GCE的影響較小，Pt-CNTs/GCE對干擾物的靈敏性如圖9所示。該結果表明制備的 Pt-CNTs/GCE對H2O2具有良好的選擇性和優異的抗干擾能力。

圖9 Pt-CNTs/GCE對干擾物的靈敏性

3.6 Pt-CNTs/GCE的重現性和穩定性

Pt-CNTs/GCE的重現性和穩定性可通過評估Pt-CNTs/GCE對不同濃度H2O2的電流響應來確定。在相同條件下，制備3支Pt-CNTs/GCE進行電流-時間響應實驗。通過計算可知，3支Pt-CNTs/GCE電流響應的相對標準偏差僅為3.5%(見圖10a)，這表明制備的傳感器具有較高的重現性。

Pt-CNTs/GCE的穩定性通過測試傳感器不同時間的電流響應進行評估。通過實驗發現，在7 d后，Pt-CNTs/GCE的檢測靈敏度仍保持原始值的90%，修飾電極穩定性實驗結果如圖10b所示。這說明水浴加熱合成的Pt-CNTs在電極表面修飾穩定，制備的傳感器具有較好的穩定性。

圖10 修飾電極重現性、穩定性實驗結果

4 結 語

本次研究首先成功制備了Pt-CNTs，然后以殼聚糖為溶劑，用物理滴定的方法成功將其修飾在GCE表面，從而制備了基于單壁碳納米管-鉑納米復合物的Pt-CNTs/GCE。電化學測試表明Pt-CNTs/GCE對H2O2具有優良的催化性能。制備的Pt-CNTs/GCE可以成功應用于H2O2的檢測，在試劑檢測、生物傳感等方面具有潛在的應用價值。